Σχεδιασμός και Υλοποίηση Πρωτοκόλλου mac για Παθητικά Οπτικά Δίκτυα gpon




старонка1/25
Дата канвертавання24.04.2016
Памер2.32 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   25


ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ


ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ

Τομέας ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ, ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ

και ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ

Σχεδιασμός και Υλοποίηση Πρωτοκόλλου MAC

για Παθητικά Οπτικά Δίκτυα GPON

ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ


των
ΓΕΩΡΓΙΟΥ Β. ΜΑΥΡΟΓΟΝΑΤΟΥ

ΝΙΚΟΛΑΟΥ Β. ΧΑΤΖΗ


Επιβλέπων : Εμμανουήλ Πρωτονοτάριος

Καθηγητής Ε.Μ.Π.

Αθήνα, Ιούλιος 2004

ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ

ΣΧΟΛΗ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ

ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ

Τομέας ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ, ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ

και ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ



Σχεδιασμός και Υλοποίηση Πρωτοκόλλου MAC

για Παθητικά Οπτικά Δίκτυα GPON

ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ


των
ΓΕΩΡΓΙΟΥ Β. ΜΑΥΡΟΓΟΝΑΤΟΥ

ΝΙΚΟΛΑΟΥ Β. ΧΑΤΖΗ

Επιβλέπων : Εμμανουήλ Πρωτονοτάριος

Καθηγητής Ε.Μ.Π.

Εγκρίθηκε από την τριμελή εξεταστική επιτροπή την 16η Ιουλίου 2004.


(Υπογραφή) (Υπογραφή) (Υπογραφή)

................................... ................................... ...................................


Καθηγητής Ε.Μ.Π. Καθηγητής Ε.Μ.Π. Καθηγητής Ε.Μ.Π.

Αθήνα, Ιούλιος 2004



(Υπογραφή)

...................................



γεωργιοσ β. μαυρογονατοσ

Διπλωματούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών Ε.Μ.Π.


© 2004 – Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. All rights reserved


(Υπογραφή)

...................................



νικολαοσ β. χατζησ

Διπλωματούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών Ε.Μ.Π.


© 2004 – Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. All rights reserved
Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανομή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τμήματος αυτής, για εμπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανομή για σκοπό µη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. Ερωτήματα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται προς τον συγγραφέα.

Οι απόψεις και τα συμπεράσματα που περιέχονται σε αυτό το έγγραφο εκφράζουν τον συγγραφέα και δεν πρέπει να ερμηνευθεί ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσημες θέσεις του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.



Περίληψη

Ο σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η σχεδίαση και η υλοποίηση ενός ελεγκτή πρόσβασης στο μέσο για παθητικά οπτικά δίκτυα (GPON – Gigabit Passive Optical Network) ικανά για μετάδοση δεδομένων σε ρυθμό gigabit/sec. Η εργασία έγινε στα πλαίσια του προγράμματος GIΑNT της Ευρωπαϊκής Ένωσης, που είχε σκοπό τη μελέτη και μοντελοποίηση ενός οπτικού παθητικού δικτύου, το οποίο μεταφέρει δεδομένα σε ρυθμό gigabit/sec.

Τα παθητικά οπτικά δίκτυα κρίνονται ως η πιο αποδοτική λύση για το δίκτυο πρόσβασης για μεταφορά δεδομένων σε υψηλούς ρυθμούς. Προκειμένου να είναι εφικτή η μετάδοση δεδομένων σε τόσο υψηλό ρυθμό με διασφάλιση της ποιότητας υπηρεσιών, ήταν απαραίτητη η σχεδίαση και υλοποίηση του φυσικού στρώματος, δηλαδή τόσο του υποστρώματος σύγκλισης μετάδοσης όσο και του υποστρώματος φυσικού μέσου. Για τη σχεδίαση του ελεγκτή έγινε μελέτη και προδιαγράφηκαν τα βασικά χαρακτηριστικά του υποστρώματος σύγκλισης μετάδοσης. Κατόπιν μελετήθηκαν διάφοροι αλγόριθμοι για το πρωτόκολλο MAC και υλοποιήθηκε αυτός που κρίθηκε ως ο πιο αποδοτικός. Τέλος μετά τη σχεδίαση του πρωτοκόλλου MAC έγινε η υλοποίηση του με χρήση της γλώσσας υλικού VHDL. Η υλοποίηση του ελεγκτή με γλώσσα υλικού συνοδεύτηκε από κατάλληλα πειράματα προσομοίωσης καθώς και σύνθεση, όπου διαπιστώθηκε η σωστή λειτουργία και δυνατότητα κατασκευής ενός τέτοιου ελεγκτή.

Λέξεις Κλειδιά: Οπτικά Παθητικά Δίκτυα, Ελεγκτής Πρόσβασης Μέσου, Υπόστρωμα Σύγκλισης Μετάδοσης, Δυναμική Ανάθεση Εύρους Ζώνης.

Abstract

The scope of this thesis is the design and implementation of a Medium Access Controller (MAC) for Gigabit Passive Optical Networks (GPON) capable of transmitting data in gigabit/sec rate. This thesis was part of the GIANT programme of European Community, which intends to model a passive optical network capable of transmitting data in gigabit/sec rate.

A passive optical network is concerned as the most efficient solution for the access network in order to transmit data in high rates. In order to achieve transmission of data in such rates and keeping Quality of Service high, it was necessary the design and implementation of the physical layer in whole, which Consists of the Transmission Convergence sublayer (TC) and the Physical Medium (PM) sublayer. In order to design the MAC we studied and the specification of the TC. Afterwards we studied several algorithms for the MAC protocol and implement the most efficient. After the design of the protocol we implement it using a hardware definition language, VHDL. The implementation of the MAC was followed by the synthesis of the controller and proper testing using specific simulation scenarios.

Keywords: Passive Optical Network, Medium Access Controller, Transmission Convergence, Dynamic Bandwidth Allocation

Πίνακας περιεχομένων


1. Παθητικά οπτικά δίκτυα 19

1.1 Γενικά 19

1.2 Τοπολογίες 20

1.2.1 Παθητικό Δέντρο 21

1.2.2 Παθητικός Δακτύλιος 22

1.2.3 Παθητικός Δίαυλος 23

1.2.4 Σύγκριση 24

1.3 Φυσικό υπόστρωμα και πολυπλεξία 25

1.4 Τεχνολογίες Οπτικών Παθητικών Δικτύων 27

1.4.1 APON 27

1.4.1.1 Χαρακτηριστικά και λειτουργία 27

1.4.1.2 Οφέλη των ΑΡΟΝ 29

1.4.2 ΕΡΟΝ 30

1.4.2.1 Χαρακτηριστικά και λειτουργία 30

1.4.2.2 Οφέλη των ΕΡΟΝ 32

1.4.3 GPON 33

1.4.4 Σύγκριση τεχνολογιών ΑΡΟΝ, ΕΡΟΝ και GPON 34

1.4.4.1 ΑΡΟΝ vs ΕΡΟΝ 34

1.4.4.2 ΕΡΟΝ vs GPON 35

2. Δίκτυα GPON 37

2.1 Γενικά 37

2.2 Yπόστρωμα σύγκλισης μετάδοσης (TC Layer) 38

2.2.1 Γενικά 38

2.2.2 Βασικές αρχές υποστρώματος μετάδοσης GPON 38

2.3 Πρωτόκολλο MAC 40



2.3.1 Διαχείριση QoS σε δίκτυα PON 41

2.3.2 Αλγόριθμοι 44

2.4 Φυσικό υπόστρωμα 45

2.5 Διαχείριση Δικτύου 47

2.5.1 Απαιτήσεις και προδιαγραφές 47

2.5.2 Βάση δεδομένων MIB 49

2.5.3 Κανάλι, μήνυμα και αρχές του πρωτοκόλλου 50

2.5.3.1 Κανάλι 50

2.5.3.2 Μήνυμα 51

2.5.3.3 Έλεγχος ροής και διόρθωση λαθών 52



3. Υπόστρωμα μετάδοσης TC 53

3.1 Γενικά 53

3.2 GTC πλαίσιο TC 54

3.2.1 Προς τα κάτω ζεύξη 54

3.2.1.1 PCBd 55

3.2.1.1.1 Πεδίο PSync 55

3.2.1.1.2 Πεδίο Ident 56

3.2.1.1.3 Πεδίο ΒΙΡ 56

3.2.1.1.4 Πεδίο PLOAM 56

3.2.1.1.5 Πεδίο Plend 57

3.2.1.1.6 Πεδίο US BW Map 58

3.2.1.2 Payload 59

3.2.2 Προς τα άνω ζεύξη 59

3.2.2.1 PLOu 60

3.2.2.2 PLOAMu 61

3.2.2.3 PLSu 61

3.2.2.4 DBRu 61

3.2.2.5 Payload 62

3.3 Δυναμική ανάθεση εύρους ζώνης 63

3.3.1 Ανάλυση τύπων TCONT 66

3.4 Ασφάλεια 67

3.5 FEC 68

3.5.1 Εισαγωγή bit ισοτιμίας 69

3.5.2 Κωδικοποίηση των τελευταίων bytes του πλαισίου 69

3.5.3 Συγχρονισμός πλαισίων και κωδικών λέξεων 70

3.5.4 Βit που καθορίζουν την ύπαρξη FEC 71

3.6 Διαχείριση δικτύου – μηνύματα OMCI 71



4. Πρωτόκολλο MAC 72

4.1 Αλγόριθμος MAC 72

4.2 Περιγραφή του υλικού 77

4.3 Ο ελεγκτής ΜΑC στο ΟLT 77



4.3.1 Διεπαφή MAC - OBC 78

4.3.1 Διεπαφή MAC - GLTP 78

4.3.1.1 Κατεύθυνση από το GMAC προς το GLTP2 79

4.3.1.2 Κατεύθυνση από το GLTP2 προς το GMAC 80

4.3.3 Περιγραφή υλικού 81

4.3.3.1 Μονάδες μνήμης 84

4.3.3.2 Λογικές μονάδες κυκλώματος 87

5.Σύνθεση κυκλώματος – Σενάρια προσομοίωσης 100

5.1 Προσομοίωση 103



5.1.1 Σενάριο 1 103

5.1.2 Σενάριο 2 107

5.1.3 Σενάριο 3 109

6. Παράρτημα 113

7. Βιβλιογραφία 308


Πίνακας σχημάτων

Σχήμα

Όνομα

σελ.

σχήμα 1

Τοπολογίες παθητικών δικτύων

20

σχήμα 2

Τοπολογία δέντρου

21

σχήμα 3

Τοπολογία δακτυλίου

22

σχήμα 4

Τοπολογία διαύλου

23

σχήμα 5

Ρεύμα ανόδου – καθόδου δικτύου APON

28

σχήμα 6

Ρεύμα καθόδου δικτύου EPON

31

σχήμα 7

Ρεύμα ανόδου δικτύου EPON

32

σχήμα 8

Υπόστρωμα φυσικού μέσου

46

σχήμα 9

Οπτικό δίκτυο ODN

47

σχήμα 10

Δομικό διάγραμμα ΟΝΤ

48

σχήμα 11

Δομή του κελιού OMCI

51

σχήμα 12

Τα υποπεδία του πεδίου Message Type

52

σχήμα 13

Το προς τα κάτω πλαίσιο του GPON GIANT

55

σχήμα 14

Δομή PCBd του προς τα κάτω πλαισίου

56

σχήμα 15

Δομή μηνύματος PLOAM

57

σχήμα 16

Δομή πεδίου Plend

58

σχήμα 17

Δομή πεδίου US BW Map

59

σχήμα 18

Δομή δομής πρόσβασης

59

σχήμα 19

Δομή προς τα άνω πλαισίου

60

σχήμα 20

Δομή επικεφαλίδας PLOu

61

σχήμα 21

Δομή επικεφαλίδας PLOAMu

61

σχήμα 22

Δομή επικεφαλίδας DBRu

62

σχήμα 23

Δομή πεδίου Payload προς τα άνω πλαισίου

63

σχήμα 24

Σύγκριση στατικού και δυναμικού τρόπου ανάθεσης εύρους ζώνης

64

σχήμα 25

ιεραρχία Τ – CΟΝΤ

65

σχήμα 26

Bit ισοτιμίας στο προς τα κάτω πλαίσιο

69

σχήμα 27

Bit ισοτιμίας στο προς τα άνω πλαίσιο

69

σχήμα 28

Συγχρονισμός προς τα κάτω πλαισίων

70

σχήμα 29

Διάγραμμα ροής αλγορίθμου MAC

76

σχήμα 30

Διεπαφές ελεγκτή MAC

77

σχήμα 31

Μνήμες - Λογικά κυκλώματα

81

σχήμα 32

Μονάδες διεπαφών - μονάδες κατασκευής χάρτη εύρους ζώνης

82

σχήμα 33

Μονάδες για εγγυημένο - επιπλέον εύρος ζώνης

83

σχήμα 34

Πεδία της BAP μνήμης

85

σχήμα 35

Πεδία του access structure

90

σχήμα 36

Διάγραμμα προσομοίωσης 1

104

σχήμα 37

Διάγραμμα προσομοίωσης 2

104

σχήμα 38

Διάγραμμα προσομοίωσης 3

105

σχήμα 39

Διάγραμμα προσομοίωσης 4

105

σχήμα 40

Διάγραμμα προσομοίωσης 5

107

σχήμα 41

Διάγραμμα προσομοίωσης 6

107

σχήμα 42

Διάγραμμα προσομοίωσης 7

108

σχήμα 43

Διάγραμμα προσομοίωσης 8

109

σχήμα 44

Διάγραμμα προσομοίωσης 9

110

σχήμα 45

Διάγραμμα προσομοίωσης 10

111


Πίνακας πινάκων


Πίνακας

Όνομα

σελ.

Πίνακας 1

Σύγκριση τοπολογιών οπτικών παθητικών δικτύων

24

Πίνακας 2

Σύγκριση πρωτοκόλλων στρώματος δεδομένων

26

Πίνακας 3

Σύγκριση τεχνικών πολυπλεξίας

27

Πίνακας 4

Συνδυασμοί bit rate για upstream/downstream κανάλι στα GPON

34

Πίνακας 5

Σύγκριση APON-EPON

35

Πίνακας 6

Σύγκριση APON – GPON

36

Πίνακας 7

Κατηγορίες T - CONT

43

Πίνακας 8

Εύρος ζώνης - TCONT

66

Πίνακας 9

Entity που έχουν πρόσβαση στις μνήμες

88

Πίνακας 10

Σειρά άφιξης alloccID 1

103

Πίνακας 11

Σειρά άφιξης alloccID 2

106

Πίνακας 12

Σειρά άφιξης alloccID 3

108


Συντομοφραφίες

AES

Advanced Encryption Standard

AN

Access Networks

APON

ATM Passive Optical Network

ATM

Asynchronous Transfer Mode

AVC

Attribute Value Changes

BPON

Broadband Passive Optical Network

BW Map

Bandwidth Map

CDM

Code Division Multiplexing

CRC

Cyclic Redundancy Check

CTR

Counter Mode

DBA

Dynamic Bandwidth Allocation

ΕΡΟΝ

Ethernet Passive Optical Network

FEC

Forward Error Detection

FIFO

First In First Out

FPGA

Field Programmable Gate Array

FSAN

Full Service Access Networks

FTTB

Fibber To The Building

FTTBusiness

Fibber To The Business

FTTC

Fibber To The Curve

FTTH

Fibber To The Home

GEM

GPON Encapsulation

GIANT

GIgaPON Access NeTwork

GPON

Gigabit Passive Optical Network

GTC

GPON TC

GXTP

GLTP or GNTP

ΙΕΕΕ

International Electrical Electronic Engineer

IP

Internet Protocol

ITU

International Telecommunications Union

LAN

Local Area Network

MAC

Medium Access Protocol

MIB

Management Information Base

MPLS

Multi Protocol Label Switching

NIST

National Institute of Standards and Technology

NRZ

Non Return to Zero

OAM


Operation, Administration & Maintenance

OBC

On Board Controller

OLT

Optical Line Termination

OMCC

ONT Management and Control Channel

OMCI

ONT management and control interface,

ONT

Optical Network Termination

ONU

Optical Network Units

PCBd

Physical Control Block D/S

PLOAM

Physical Layer OAM

PLSu

Power Levelling Sequence

PM

Physical Medium

PON

Passive Optical Networks

PSync

Physical Synchronization

QoS

Quality of Service

RS

Reed-Solomon

SDI

Successive Data Interval

SONET

Synchronous Optical Network

ΤΒ

Transmit Bytes

TC

Transmission Convergence

TCA

Threshold Crossing Alerts

TCONT

Traffic Containers

TCP

Transmission Control Protocol

TDM

Time Division multiplexing

TDMA

Time Division Multiple Access

VC

Virtual Channel

WAN

Wide Area Network

WDM

Wavelength Division Multiplexing
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   25


База данных защищена авторским правом ©shkola.of.by 2016
звярнуцца да адміністрацыі

    Галоўная старонка